李 闖,倪 金,宋慶春,馬宏偉,吳銘杰,王福剛
(1.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室,長春130021;2.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心,沈陽110034;3.遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院有限公司,遼寧大連116037)
大魏家水源地作為大型近海地下水水源地,在大連市供水歷史上曾發(fā)揮過重要作用。20 世紀60年代以來,該地區(qū)大規(guī)模地下水開采引發(fā)了嚴重的海水入侵問題,因此大魏家水源地于2001年停止開采[1]。自水源地開采引發(fā)海水入侵至今,已經(jīng)有50多年之久。
該區(qū)海水入侵問題引起了相關(guān)單位的高度重視,1991-1994年大連市水務(wù)局[2]通過普查資料和野外監(jiān)測等明確了大魏家地區(qū)海水入侵的范圍并初步分析了海水入侵的機理,后期遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院[3]對該區(qū)30余年海水入侵的變化和趨勢進行了全面分析和介紹。2006年遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院[4]結(jié)合地下水位動態(tài)、地下水Cl-含量特征,分析了該區(qū)海水入侵水平和垂直方向的狀況。此外許多學(xué)者也對大魏家地區(qū)海水入侵問題展開了深入研究。武強等[5,6]對大魏家地區(qū)的海水入侵特征、機理和對策展開研究,通過對大魏家20年的地下水位、氯離子動態(tài)資料分析,認為導(dǎo)致該地區(qū)海水入侵的主因是地下水位的持續(xù)下降,同時發(fā)現(xiàn)該區(qū)地下水系統(tǒng)含水介質(zhì)滲透能力的差異和與海水水力連通程度,控制著海水入侵的發(fā)生模式。宋慶春等[1]對大魏家地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征、巖溶發(fā)育規(guī)律和地下水動力條件等方面進行分析,得出該區(qū)域海水入侵受地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育和地下水過度開采等多種作用影響的結(jié)論。韓冬梅和楊吉龍等[7,8]通過分析大魏家地區(qū)地下水動力條件、水化學(xué)和同位素特征,提出了該區(qū)的水文地質(zhì)概念模型,對海水入侵過程中的水巖作用進行了定量分析,并判別了海水入侵的程度。趙長榮等[9]通過大量的水文地質(zhì)調(diào)查和水樣測試,分析了該區(qū)的水動力條件,并利用反向水文地球化學(xué)模擬揭示了研究區(qū)微咸水和咸水不是地下淡水與海水簡單混合而成,其中伴隨著方解石、蒙脫石和石膏的溶解作用、伊利石的沉淀作用以及Ca-Na離子交換作用。
綜上所述,關(guān)于大連典型海水入侵影響區(qū)大魏家地區(qū)海水入侵進行了較多研究,對海水入侵的范圍、程度和機理進行了不同角度的探究。但由于地下水水質(zhì)受多種因素影響,具有時變性特征,并且近年實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),在大魏家水源地停采后,研究區(qū)內(nèi)仍有部分村屯將當?shù)氐叵滤鳛樯铒嬘盟础A硗?,地下水是研究區(qū)目前主要經(jīng)濟作物—大櫻桃的唯一灌溉水來源。因此,查清當前地下水在開采-自然雙重因素影響下的海水入侵變化情勢,明確當前地下水質(zhì)量空間分布特征和水質(zhì)變化主要控制因素,提出針對性的對策建議,對于研究區(qū)地下水合理開發(fā)利用具有重要意義。
研究區(qū)大魏家地區(qū)位于大連市金州區(qū)西北部,距金州10 km,瀕臨渤海,總面積約為150 km2,多年的平均降水量約為662 mm。目前,全區(qū)將地下水作為農(nóng)業(yè)灌溉用水水源,距離5 km以外的內(nèi)陸區(qū)域同時將地下水作為生活供水水源。
研究區(qū)內(nèi)出露的地層主要有太古界變質(zhì)雜巖、元古界震旦系沉積巖地層、古生界寒武系、奧陶系和石炭系沉積巖地層和第四系松散沉積物組成的地層(圖1)。太古界地層分布于研究區(qū)東部,巖性主要為片麻巖,裂隙發(fā)育差,富水性差;震旦系地層分布于研究區(qū)中東部,主要為頁巖、石英砂巖、灰?guī)r,因巖性差異導(dǎo)致其富水性差異較大;寒武系、奧陶系、石炭系地層廣泛分布于研究區(qū)中部及沿海一帶,主要為灰?guī)r、白云巖、砂巖等,是地下水主要富水層位;第四系地層呈條帶狀、舌狀分布于大魏家一帶和和北部近海區(qū)域,厚度30~60 m,巖性為砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土、砂礫石等[10]。
由于研究區(qū)碳酸鹽巖廣泛分布、斷裂和裂隙交錯縱橫,使得區(qū)內(nèi)巖溶十分發(fā)育。根據(jù)地層的空間展布(圖2 和圖3)可知,當內(nèi)地地下水降落漏斗擴展到海岸帶時,海水會通過第四系發(fā)生面狀入侵,或者沿斷裂、裂隙、巖溶管道通過碳酸鹽巖地層向內(nèi)陸入侵[6]。
前期研究已經(jīng)證實了當?shù)睾K肭脂F(xiàn)象是由于地下水的大規(guī)模開采引起的,因此對海水入侵動態(tài)過程的分析需結(jié)合地下水的開采情況進行。1968-2001年,由于大魏家水源地的存在,研究區(qū)地下水開采主要為大連市供水,2001年至今其地下水開采主要為滿足當?shù)厣a(chǎn)生活需要。在這50 余年中,研究區(qū)地下水開采特征可分為無限制開采期、季節(jié)性開采期、因干旱加大開采期和控制開采期共4 種類型[1]。為查清當?shù)氐叵滤煌_采量對海水入侵的影響,現(xiàn)將大魏家鎮(zhèn)附近區(qū)域1991-2012年海水入侵面積、距離和1966-2010年地下水Cl-含量歷史數(shù)據(jù)[1,7-9]進行整理,同時結(jié)合2018年和2019年兩期研究區(qū)海水入侵調(diào)查數(shù)據(jù)(監(jiān)測點位置見圖4)繪制海水入侵范圍和地下水Cl-含量歷史趨勢圖(圖5)。
如圖5 所示,1968-1983年,由于地下水無限制開采,研究區(qū)地下水Cl-含量明顯增大,最大可達1 158 mg/L;1983-1991年,地下水開采方式改為季節(jié)性開采,研究區(qū)地下水中Cl-含量迅速減小。從Cl-含量的變化可以推斷1968-1991年研究區(qū)海水入侵面積和距離整體處于先增大后減小的趨勢。1991-1994年因干旱加大地下水開采量,研究區(qū)海水入侵面積、距離和地下水中Cl-含量均增大;1994-1998年因研究區(qū)開始控制地下水開采,所以緩解了其海水入侵程度;1998-2004年再一次因干旱加大地下水量,之前已得到控制并出現(xiàn)下降的海水入侵面積和地下水Cl-含量都出現(xiàn)了大幅增長,最大入侵面積可達54 km2,最大入侵距離約4 km;2004年之后,隨著地下水開采量的下降,海水入侵趨勢再一次得到控制。所以研究區(qū)海水入侵面積、距離和地下水Cl-含量變化與地下水不同時期的開采行為相關(guān)性顯著,在地下水開采量增大的階段,研究區(qū)海水入侵程度加重。
為明確研究區(qū)海水入侵當前狀態(tài),2018年和2019年連續(xù)對研究區(qū)地下水進行了樣品采集與測試(2018年采集地下水樣品17 組,2019年采集樣品35 組)。根據(jù)水樣測試數(shù)據(jù)中Cl-含量,以Cl-含量大于300 mg/L 劃分海水入侵區(qū),繪制當前研究區(qū)海水入侵狀態(tài)圖(圖6)。由圖6可知,研究區(qū)目前海水入侵趨勢被有效控制,僅近海區(qū)域存在入侵現(xiàn)象,最大入侵距離約3 km。
研究區(qū)大魏家集中供水水源地自2001年停止開采,不再作為大連市供水水源地[1]。據(jù)野外實際調(diào)查,目前區(qū)內(nèi)地下水開采主要用于農(nóng)田果園灌溉和部分村屯生活飲用等。為查明當前地下水質(zhì)量的空間分布特征,基于最近一次(2019年)研究區(qū)地下水樣品(采樣點分布見圖6)測試結(jié)果,針對性地進行研究區(qū)地下水用于生活飲用與農(nóng)業(yè)灌溉的適宜性分析。
將研究區(qū)地下水樣品測試結(jié)果與地下水質(zhì)量標準(GB/T 14848-2017)中Ⅲ類水各離子限值比較,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)近海區(qū)域地下水中Cl-含量、Na+含量和TDS均較高;內(nèi)陸絕大部分區(qū)域地下水中NO3-含量超標。所以目前研究區(qū)地下水整體化學(xué)組分含量偏高,水質(zhì)狀況較差。
由于將測試結(jié)果直接與標準限值比較可能存在水質(zhì)類別劃定邊界模糊和單種離子對整體水質(zhì)影響程度不同的問題,為此本文將在內(nèi)梅羅指數(shù)法、綜合指數(shù)法、模糊綜合評價法、集對分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等[11-15]眾多地下水質(zhì)量評價方法中選擇模糊綜合評價法對研究區(qū)地下水質(zhì)進行評價來消除上述問題帶來的影響。基于水質(zhì)測試結(jié)果分析,同時考慮研究區(qū)受海水入侵、人類活動影響,選定Cl-、TDS、SO42-、NO3-、總硬度5個代表性指標作為評價因子。由于地下水質(zhì)量標準(GB/T 14848-2017)中將Ⅲ類水限值(Cl-<250 mg/L、TDS<1 000 mg/L、SO42-<250 mg/L、NO3-<88 mg/L、總硬度<450 mg/L)視為直接生活飲用的最低標準,所以以此為基準并按下列公式對5個評價因子賦予權(quán)重值[16,17]:
式中:Sj為Ⅲ類水中第j個評價因子的限定值;Cij為第i個水樣的第j個評價因子的實測值;Wij為第i個水樣的第j個評價因子的權(quán)重值。
該權(quán)重賦值方法可以將相同評價因子在不同成分水樣中賦予不同的權(quán)重值,具有較強的客觀性。如將點S01 水樣中Cl-(396 mg/L)、TDS(953 mg/L)、SO42-(113 mg/L)、NO3-(14.2 mg/L)和總硬度(190 mg/L)與其對應(yīng)限值作比得到Qj為1.584、0.953、0.452、0.161、0.422,根據(jù)式(2)計算權(quán)重值W11=0.443、W12=0.267、W13=0.127、W14=0.045、W15=0.118,即在點S01 水樣中Cl-、TDS、SO42-、NO3-、總硬度的權(quán)重值分別為0.443、0.267、0.127、0.045、0.118。同理可計算其他34 組水樣中不同評價因子的權(quán)重值。
根據(jù)模糊綜合評價的結(jié)果,繪制研究區(qū)地下水生活飲用供水適宜性分區(qū)圖(圖7)。如圖7所示,研究區(qū)絕大部分區(qū)域為地下水較不適宜飲用和不適宜飲用區(qū)。
研究區(qū)地下水是當?shù)刂饕?jīng)濟作物大櫻桃的主要灌溉用水??紤]到用受海水入侵影響的地下水進行農(nóng)業(yè)灌溉,會導(dǎo)致土壤鹽分累計而使果樹減產(chǎn)甚至死亡?;?019年采集水樣測試結(jié)果,進行研究區(qū)地下水用于農(nóng)業(yè)灌溉的適宜性評價。在評價過程中,考慮作物對土壤累積鹽分的耐受程度和水質(zhì)對土壤滲透性的影響[18],分別采用灌溉系數(shù)法和鈉吸附比值法進行評價。評價結(jié)果(圖8)顯示,研究區(qū)近海區(qū)域(最遠可達內(nèi)陸4 km 處)地下水水質(zhì)較差,多不太適用于農(nóng)業(yè)灌溉;其他區(qū)域地下水均可用于農(nóng)業(yè)灌溉。
地下水質(zhì)量演化主要受自然因素(氣象、水文、含水層特征、水動力特征)和人為因素(污染、農(nóng)業(yè)施肥、農(nóng)藥、開采地下水)的影響。根據(jù)研究區(qū)地下水用于生活飲用和農(nóng)業(yè)灌溉的適宜性評價結(jié)果可知,研究區(qū)近海區(qū)域,地下水不適于生活飲用,用于農(nóng)業(yè)灌溉存在引發(fā)土壤鹽漬化的風(fēng)險。該區(qū)域與研究區(qū)海水入侵區(qū)基本重合,說明該區(qū)域地下水質(zhì)量較差的主要原因是受海水入侵影響。此外,通過生活飲用水供水適宜性評價結(jié)果可知,研究區(qū)遠離海岸的內(nèi)陸區(qū)域地下水雖然不受海水入侵影響,但仍不適于生活飲用。下面將對這種現(xiàn)象的原因及主控要素進行分析。
3.2.1 水質(zhì)演化的自然要素分析
研究區(qū)整體地形東高西低,呈向西北傾斜的趨勢。在圖9中,AB 線和CD 線區(qū)域整體背斜成山,地勢較高。結(jié)合圖1和圖2 可知,AB 線一帶是一套傾角較陡的寒武系背斜構(gòu)造的灰?guī)r地層和震旦系阻水、弱透水的頁巖、泥巖、砂巖地層;CD線一帶是一套寒武系阻水頁巖和透水灰?guī)r地層,地層主體巖性雖然為灰?guī)r,但從地質(zhì)構(gòu)造上看,該帶狀分布區(qū)域為一套東南-西北走向的背斜形成的正地形,山體面積較大,在降水補給為主要補給源的成因條件下,地形控水和地質(zhì)構(gòu)造控水共同控制地下水的流動。所以AB 線和CD 線均可視為地下水流動系統(tǒng)的邊界。研究區(qū)東部為地形較高的太古界變質(zhì)巖弱含水地層,可構(gòu)成地下水流動系統(tǒng)的東部邊界?;谏鲜龇治?,研究區(qū)地下水流動系統(tǒng)可劃分為北部、中部、南部3個流動子系統(tǒng)(見圖9)。
根據(jù)2019年野外地下水位測量數(shù)據(jù),繪制研究區(qū)地下水位等值線(圖9)。由3個流動子系統(tǒng)的地下水位分布,結(jié)合研究區(qū)碳酸鹽的地層分布和構(gòu)造裂隙發(fā)育特征,可得出研究區(qū)地下水的整體情勢呈現(xiàn)由內(nèi)陸向海的淡水排驅(qū)咸水的趨勢。入侵影響區(qū)的地下水處于逐漸淡化的狀態(tài)。楊吉龍等[8]發(fā)現(xiàn)在某些部位,含水層中形成的混合咸水并沒有被明顯排出含水層,這是由于裂隙巖溶空隙介質(zhì)的非均質(zhì)性影響,入侵的咸水被滯留于半封閉的非均質(zhì)空隙空間中形成的結(jié)果。
在處于斷裂帶附近的東田村(圖9 中S11)、小朱家(圖9中S28)和老母架村(圖9 中S29)實地地下水調(diào)查中獲悉,當這些部位大量開采地下水時,相應(yīng)部位地下水迅速變咸,結(jié)合這些部位的斷裂分布和與海岸的距離分析,這些部位的深部地下巖溶層中存在著與海水溝通良好的優(yōu)勢通道,當內(nèi)陸局部區(qū)域大量開采地下水時,地下水位的快速下降導(dǎo)致海水通過斷裂、裂隙及巖溶管道等優(yōu)勢通道向內(nèi)陸快速入侵。
另外,利用Piper 三線圖分析地下水化學(xué)組成特點,采用舒卡列夫分類法對地下水化學(xué)類型進行劃分。由Piper 圖(圖10)可以看出,海水水化學(xué)類型與地下水明顯不同,表現(xiàn)為Cl-Na 型。地下水水化學(xué)類型表現(xiàn)出多樣性,大部分為Cl-Ca或Ca/Mg 型,Cl-為主要陰離子,指示著其可能受到海水混合的影響。
將研究區(qū)地下水中Na+、Ca2+與Cl-進行當量比值計算結(jié)果如圖11 所示,部分淡水的Na+/Cl-當量比值接近于1 或理論海水混合線,微咸水中Na+/Cl-當量比值小于1,其中S01、S13、S14、S16、S18、S19、S32、S34 點位明顯偏離理論海水混合線[圖11(a)],表明地下水中可能發(fā)生陽離子交換作用[9]。海水入侵陸相沉積物時,Na+和Ca2+之間常發(fā)生交換作用,地下水中Na+被巖土中礦物所吸附,置換Ca2+進入含水層,導(dǎo)致含鹽量增加的樣品中Ca2+含量也增加[圖11(b)]。以上分析說明海水入侵是造成研究區(qū)大部分地下水質(zhì)較差的要素之一。
3.2.2 人為要素分析
圖7 中內(nèi)陸較不適宜和不適宜飲用區(qū)的地下水樣品中,NO3-作為生活飲用水適宜性評價的重要參評因子,其對水質(zhì)的適宜性結(jié)果影響程度顯著。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)條件和人類活動分析,地下水中的NO3-是由于農(nóng)業(yè)活動(施肥)造成的。研究區(qū)遍布農(nóng)田、果園,農(nóng)業(yè)氮肥的大量施用,使得土壤中的氮素在灌溉和降水淋濾作用下,向下遷移進入下部含水層,造成地下水硝酸鹽含量偏高。
另外,開采鹽度較大的地下水灌溉內(nèi)陸農(nóng)田、果園,也會對內(nèi)陸區(qū)域地下水水質(zhì)造成一定影響。如位于老母架村(圖7中S29)山坡上櫻桃園,長期從近海區(qū)域采用罐車運輸鹽度較大(普遍大于1.7 g/l)的地下水進行灌溉,導(dǎo)致大櫻桃樹枯萎。因此,在內(nèi)陸水質(zhì)較差的區(qū)域,地下水水質(zhì)演化的主控要素包括農(nóng)業(yè)施肥活動和灌溉水鹽度較大兩個方面。
綜上所述,目前研究區(qū)地下水質(zhì)量總體處于淡水排驅(qū)咸水的過程,但在局部地段,地下水的大量開采用于農(nóng)田灌溉,使得地下水位降幅較大,在存在優(yōu)勢通道的情況下,仍可能造成局部的海水入侵影響。遠離海岸的內(nèi)陸區(qū)域地下水水質(zhì)主要受農(nóng)業(yè)施肥和鹽度較大的地下水灌溉影響。研究區(qū)地下水整體已不適宜用于生活飲用,但大部分地區(qū)用于農(nóng)業(yè)灌溉還是有安全保障的。
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,研究區(qū)近海區(qū)域村屯因地下水受海水入侵影響,已不再用于生活飲用,而在內(nèi)陸的非海水入侵影響區(qū),大部分村屯仍使用地下水作為生活飲用水。鑒于內(nèi)陸地下水較不適宜和不適宜飲用區(qū)的地下水中NO3-含量超標,人體長期飲用具有較高的致癌風(fēng)險,建議這些區(qū)域停止使用地下水作為生活飲用水源,同時要從源頭控制污染,控制農(nóng)藥化肥用量,并且避免用鹽度較大的地下水進行果園和農(nóng)田灌溉。目前研究區(qū)地下含水層整體處于淡水驅(qū)替咸水的狀態(tài),有利于近海不適宜飲用區(qū)地下咸水轉(zhuǎn)化為淡水,所以建議研究區(qū)保持或減小目前地下水開采量,防止海水再次入侵。
在農(nóng)田灌溉方面,研究區(qū)目前基本將地下水作為農(nóng)業(yè)灌溉唯一水源,考慮到研究區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主,其中大櫻桃更是主要經(jīng)濟作物,建議停止開采農(nóng)業(yè)灌溉用水不太適宜的近海區(qū)域的地下水,以免造成灌溉區(qū)土壤鹽漬化,影響作物產(chǎn)量。此外,在水質(zhì)較差區(qū)域和存在地下優(yōu)勢流的局部地帶,應(yīng)監(jiān)測地下水質(zhì)的動態(tài)變化,根據(jù)水質(zhì)變化,合理調(diào)整地下水開采量。
(1)分析了大魏家地區(qū)20世紀60年代以來50余年海水入侵歷史動態(tài)變化過程,明確了當前地下水整體處于淡水驅(qū)排咸水的情勢。結(jié)合近年地下水樣品測試結(jié)果,分析并確定了當前海水入侵影響范圍為海岸線3~4 km的近海區(qū)域。
(2)基于最近的水質(zhì)分析數(shù)據(jù),從供水適宜性角度評價了地下水作為生活飲用水和農(nóng)業(yè)灌溉水的適宜性。結(jié)果顯示,研究區(qū)近海區(qū)域地下水既不適用于生活飲用也不適用于農(nóng)業(yè)灌溉;研究區(qū)內(nèi)陸地下水適用于農(nóng)業(yè)灌溉,但大部分不適用于生活飲用。
(3)結(jié)合地質(zhì)條件、地下水流動系統(tǒng)特征、農(nóng)業(yè)活動和地下水開采行為,分析了研究區(qū)不同區(qū)域地下水質(zhì)量的控制因素。近海區(qū)域地下水主要受海水入侵咸化的影響;內(nèi)陸區(qū)域,水質(zhì)較差的地帶主要受農(nóng)業(yè)施肥和灌溉活動影響。
(4)結(jié)合當前研究區(qū)地下水利用現(xiàn)狀,提出了不同區(qū)域地下水利用對策。對于近海的海水入侵影響區(qū),要嚴格控制地下水開采活動;遠離海岸的內(nèi)陸非海水入侵區(qū),要嚴格控制農(nóng)業(yè)施肥和劣質(zhì)地下水的灌溉對地下水的影響。建議停止將內(nèi)陸飲用水不適宜區(qū)的地下水作為生活飲用水源,并監(jiān)測地下水質(zhì)的動態(tài)變化,為當?shù)鼐用竦娜梭w健康提供保障。
致謝:本文基礎(chǔ)地質(zhì)資料主要由中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心和遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院有限公司提供,在此表示感謝!